lundi 11 septembre 2017

Des microARN provenant de plantes contrôlent les castes des abeilles

Pour PrépaAgreg surtout
Thème : génétique, épigénétique, insectes sociaux

Une abeille femelle peut devenir soit une ouvrière, soit une reine. On sait depuis longtemps que cela dépend de la nourriture qu'on lui donne lorsqu'elle est une larve. 
  • Si elle est nourrie uniquement de gelée royale, elle va devenir une reine; 
  • Si elle est nourrie de gelée royale (pendant seulement 3 jours) puis d'un mélange de pollen et de nectar dilué (nommé par les anglo-saxons beebread ou pain d'abeille) elle va devenir une ouvrière. 
On savait que cette nourriture différenciée aboutit à des méthylations différenciées sur l'ADN de séquences régulatrices. Cela aboutit par régulation transcriptionnelle à la stimulation du développement de l'appareil reproducteur chez reines et à l'inhibition de ce développement chez les ouvrières.

Larves de reines d'abeille dans la gelée royale. (Source : https://fr.wikipedia.org/wiki/Détermination_épigénétique_chez_les_abeilles#/media/File:Weiselzellen_68a.jpg)

Les auteurs d'un article récent viennent d'ajouter un étage à la cascade partant de la nourriture vers la régulation génétique. Ils ont découvert que ce sont des microARN produits par les plantes et présents dans le pain d'abeille qui inhibent le développement de l'appareil reproducteur des ouvrières. Les microARN sont des petits ARN (autour de 20 bases) non traduits qui inhibent la traduction des ARNm dont ils sont complémentaires. La gelée royale est une sécrétion glandulaire des abeilles et ne provient pas directement de plantes donc elle ne possède pas ces microARN. 
Pour faire leur démonstration, les auteurs ont nourri des larves de drosophile avec de la nourriture contenant les microARN présents dans le pain d'abeille et ils ont constaté une inhibition du développement de leur appareil reproducteur quand ces larves passaient à l'état adulte. Des ARN à la séquence aléatoire n'avaient pas cet effet. 

Un microARN a attiré particulièrement l'attention des chercheurs, miR162a. Ils ont montré qu'il inhibe tant chez l'abeille que chez la drosophile l'expression de TOR, une protéine impliquée au cours d'études précédentes dans la formation des castes chez les abeilles : il est plus exprimé chez les reines et moins exprimé chez les ouvrières. Ici, le modèle colle donc parfaitement : le pain d'abeille dont ne se nourrissent que les futures ouvrières leur apporte miR162a qui inhibe TOR et qui les amène vers le phénotype "ouvrières". Les reines ne mangeant que de la gelée royale, elles ne reçoivent jamais de miR162a.

Étonnamment des microARN ingérés semblent ne pas être dégradés dans l'intestin des larves et semblent passer dans l'hémolymphe. Puis ils peuvent rentrer dans les cellules où ils régulent la traduction. Il y a ici beaucoup d'étapes dont les mécanismes sont inconnus. Chez le nématode C. elegans, il a été montré qu'une protéine transmembranaire était capable de transporter des petits ARN de l'extérieur vers l'intérieur de la cellule. Également, de nombreux cas d'échanges de petits ARN entre espèces ont été documentés (entre des champignons pathogènes et des plantes, entre des bactéries et des nématodes...). Des plantes qui produisent des siARN (un équivalent des microARN) qui inhibent l'expression de gènes d'insectes ont présenté une résistance aux insectes qui les parasitaient habituellement. Bref, les petits ARN pourraient être des nouveaux acteurs d'importance pour les relations interspécifiques.


Voir l'article scientifique
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mercredi 30 août 2017

Le réchauffement climatique menace la résilience des végétaux après une période de sécheresse

Pour PrépaBCPST, PrépaCAPES et PrépaAgreg
Thèmes : la plante et l'eau, productivité primaire, réchauffement climatique

Les végétaux sont, selon les espèces, plus ou moins adaptés à survivre pendant les périodes de sécheresse. Les mécanismes commencent à être bien connus, mais par contre il reste beaucoup d'inconnues sur la manière dont les végétaux se comportent lorsque la pluviométrie revient à la normale.

Des chercheurs américains viennent de publier une étude à l'échelle globale qui permet d'estimer la durée de retour à une production primaire normale après une période de sécheresse. Ils ont utilisé un indice qui combine la température, l'humidité des sols, le niveau récent de précipitations et la demande des plantes en eau. Puis ils ont croisé ces données avec celles des satellites qui mesurent la productivité primaire. 

Carte des temps de récupération des végétaux pour retour à une productivité primaire normale après une période de sécheresse. Notez la France où le temps de récupération est plus important au nord/nord-est qu'au sud/sud-ouest. Source : Schwalm et al., 2017
 
Il faut 6 mois en moyenne après une période de sécheresse pour que la végétation retrouve sa productivité normale. Il arrive que cette période soit plus longue que la sécheresse elle-même. Les végétaux des régions tropicales d'Amérique du Sud et d'Asie du Sud-Est sont les plus lents à se remettre (cela peut aller jusqu'à deux ans). Pour l'Amazonie, les chercheurs ont montré des effets particulièrement importants de sécheresses récurrentes alors que les arbres ne s'étaient pas encore remis des sécheresses passées. Le suivi de populations d'arbres en France effectué par l'INRA avait déjà montré que les hêtres et les chênes souffrent de sécheresses récurrentes plus que d'un épisode extrême mais isolé.

Par ailleurs, les chercheurs ont observé que le maintien de températures élevées ralentit le rétablissement des végétaux (même si la pluviométrie reste normale), ce qui ne peut manquer d'inquiéter en période de réchauffement climatique. Ce réchauffement ralentit la résilience de la productivité primaire, or celle-ci est un puits de carbone. Il y aurait donc un possible effet d'emballement : plus il y aura de réchauffement dans un contexte de sécheresse moins il y aura d'absorption de CO2.

Vers article scientifique.
Voir cet article.

lundi 12 juin 2017

Les fossiles de Jebel Irhoud (Maroc) repoussent à 300.000 ans et déplacent à l'ouest de l'Afrique les origines d'Homo sapiens



Pour Prépa BCPST, Prépa CAPES et Prépa Agreg
Thèmes :  évolution humaine, fossile, datation

Article écrit par Céline Bon, paléogénéticienne au Musée de l'Homme, Maître de Conférences MNHN, Paris

Depuis le début des années 2000, une expansion sans précédent de la Paléoanthropologie, liée au développement de nouvelles méthodes (datation, paléogénétique, morphométrie), à l’ouverture de nouveaux terrains et à un investissement financier solide, a permis d’approfondir et d’affiner considérablement nos connaissances sur les origines de l’Homme. Ainsi :
  • des fossiles comme Toumaï et Orrorrin permettent d’explorer les premiers temps suivant la divergence entre lignées humaine et chimpanzée ; 
  • la diversité humaine au Pléistocène a été enrichie par la découverte d’Homo florensiensis, d’H. naledi, des Denisoviens ; 
  • les flux de gènes entre ces groupes commencent à être mieux compris. 
Cependant, l’origine d’Homo sapiens et son évolution depuis la divergence avec la lignée humaine la plus proche connue, Néandertal, reste mystérieuse. De quelle espèce ancestrale (H. heidelbergensis ? H. rhodesiensis ?) sapiens est-il originaire ? Où a-t-il évolué ? Quelles sont les traits dérivés humains qui sont apparus en premiers ?


Qu’est ce que l’Humanité ?

La première question qui se pose est celle de la définition : comment définir l’apparition d’H. sapiens ? La réponse est complexe et diffère en fonction des disciplines. Pour des paléoanthropologues, l’apparition d’H. sapiens correspond à l’émergence de traits dérivés spécifiques de sapiens : le menton, une face aplatie, un cerveau globulaire. Des généticiens en revanche font remonter cet événement à la date de coalescence la plus ancienne des populations sapiens actuelles. 


Cependant, il est parfaitement possible que ces deux événements ne soient pas concomitants : des humains portant quelques ou tous les traits dérivés d’H. sapiens ont pu préexister de plusieurs dizaines voire centaines de milliers d’années à la divergence des populations humaines actuelles – ou certains traits dérivés spécifiques de l’Humanité actuelle ont pu arriver tardivement.


Répondre à la question de l’émergence de l’Humanité revient donc à répondre à deux (si ce n’est plus) questions différentes : qui sont les premiers Hommes dont l’anatomie est moderne ? Ou, quand, comment se sont passées les premières divergences entre les Hommes qui existent aujourd’hui ? C’est à la première question que nous essayerons de répondre aujourd’hui.


Les premiers Hommes anatomiquement modernes

La recherche des premiers Hommes anatomiquement modernes (HAM) a de multiples buts :
  1. découvrir si les traits spécifiquement sapiens sont apparus progressivement (en mosaïque) ou simultanément ; 
  2. estimer sur quelle aire, dans quelle région, et dans quel environnement, l’espèce humaine est apparue. 
Plus précisément sur ce deuxième point, un débat centenaire oppose les tenants d’une évolution multirégionale à ceux d’une évolution d’H. sapiens en Afrique, à partir d’une espèce locale, suivie d’une expansion hors d’Afrique. Au plan mondial, les travaux de la génétique ont permis de rejeter l’hypothèse multirégionale en faveur d’un « Out of Africa » relativement récent (quelque 70 000 ans avant le présent). En revanche, les mécanismes d’apparition d’H. sapiens en Afrique restent largement méconnus : l’espèce a-t-elle évoluée en Afrique de l’Est, pour se diffuser d’abord dans le reste du continent, avant d’en sortir ? Ou a-t-elle évoluée simultanément, sur une vaste aire couvrant une part importante du continent ?


Jusqu’à la récente datation de Jebel Irhoud (un site marocain), les restes d’H. sapiens anciens étaient relativement rares. Les plus anciens fossiles sur lesquels la plupart des traits dérivés sapiens étaient retrouvés était Omo Kibish (200 000 ans) et Herto (160 000 ans), soit largement postérieurs à la date de divergence entre la lignée sapiens et la lignée néandertale (400-700 000 ans). Ces deux sites, situés en Ethiopie, pointent vers une origine de l’espèce humaine localisée en Afrique de l’est.







Figure 1 : Localisation du site de Jebel Irhoud 


Le cas « Jebel Irhoud »
Cependant, les récentes découvertes effectuées sur le complexe fossilifère de Jebel Irhoud (figure 1) ont permis de compléter les connaissances sur l’évolution de la lignée humaine et soulèvent de nouvelles questions. Le site a été découvert dans une carrière en 1961, et se caractérise par des restes fauniques, des outils et quelques restes humains, à la base de la stratigraphie. Il est très vite apparu que ces restes appartenant à des Hommes anatomiquement modernes très anciens : en effet, ils ne diffèrent que peu de ceux d’Omo Kibish et de Herto. La face est peu développée et plate, ce qui le rapproche des Homo sapiens actuels ; en revanche, la voute crânienne est allongée et d’une forme similaire à celle retrouvée chez des Néandertaliens (cf figure 2).

 

Figure 2 : Analyse en composantes principales de la forme de la face (a) et de l’endocrâne (b). Les premiers Hommes anatomiquement modernes sont représentés en bleu ; les Hommes anatomiquement modernes récents sont en noir. Irhoud (Ir) est en rose ; l’ellipse représente différentes reconstructions d’Irhoud 10. Les abréviations sont dans le Matériel et Méthode de Hublin et al. 2017. (c) Frise chronologique des échantillons anatomiquement modernes représentés.


Les premières datations, fondées sur des restes fauniques ou des datations, faisaient remonter les fossiles de Jebel Irhoud à environ 160 000 ans. Contemporain des fossiles de Herto, ceux de Jebel Irhoud avaient un aspect particulièrement archaïque, et ont donc été interprétés comme une survivance locale d’une lignée pré-humaine, voire comme la preuve d’un métissage entre Néandertaliens et premiers humains.

Cependant, de nouvelles analyses menées suite aux fouilles reprise en 2004 sous la direction de Jean-Jacques Hublin ont permis un nouveau regard sur Jebel Irhoud. En effet, des datations ont pu être menées sur des silex brûlés (datation par thermoluminescence) directement associés aux restes fossiles et sur une dent (datation uranium-thorium) : elles font remonter les fossiles à environ 300 000 ans, soit le double de l’âge préalablement estimé.

Ainsi, « d’humains modernes particulièrement archaïques », les fossiles de Jebel Irhoud acquièrent un nouveau statut, celui des plus anciens fossiles portant des traits dérivés d’Homo anatomiquement modernes – que l’on peut appeler premier Homo sapiens si le cœur vous en dit.


Figure 3 : Comparaison de la forme du crâne entre les Homo sapiens de Jebel Irhoud et un Homo sapiens actuel

Comment ces fossiles permettent d’éclairer l’évolution de la lignée sapiens ? Ils montrent déjà que les traits dérivés sapiens n’ont pas évolué simultanément mais que certaines caractéristiques comme le développement du cerveau et en particulier du cervelet sont apparus tardivement. Cette évolution en mosaïque n’est pas étonnante, d’autant plus que des simulations pour reconstruire la morphologie du dernier ancêtre commun à sapiens et Néandertal lui donnait déjà une face relativement plate (« humain moderne »). Cependant, les hommes de Jebel Irhoud sont-ils nos ancêtres ou d’autres hommes qui cohabitaient avec nos ancêtres ? Seule une analyse génétique (impossible du fait de la non préservation de l’ADN ancien pour des échantillons aussi anciens d’une région aussi chaude) aurait pu nous le dire.
 
L’autre apport de la re-découverte de Jebel Irhoud concerne sa localisation : jusque-là, la plupart des études pointaient vers l’Afrique de l’Est (corne de l’Afrique à Afrique du Sud) comme berceau d’Homo sapiens. La présence d’Hommes « presque » anatomiquement modernes à l’ouest de l’Afrique suggère que cette évolution a pu se faire au niveau du continent, et non au niveau régional. Cette hypothèse est de plus renforcée par les outils retrouvés à proximité des restes humains de Jebel Irhoud : en effet, des outils similaires ont été retrouvés dans différents sites africains, sans être associés à des restes humains. Pourraient-ils être les témoins de cette population de pré/premiers humains modernes ?
Notre connaissance de l’évolution de la lignée sapiens, et celle de la lignée humaine en règle générale, reste extrêmement fragmentaire. Une des leçons que peut apporter l’étude des fossiles de Jebel Irhoud pourrait être la suivante : on ne trouve des nouveaux fossiles que dans les régions où on les cherche – et on ne les cherche bien souvent que là où on les trouve.
Il est certain que cette découverte mettra le Maroc dans le viseur des paléoanthropologues et que de nombreux sites dans cette région vont être (re)découverts.
  

Quelques lectures pour compléter :

  • Hublin JJ et al. 2017 New fossils from Jebel Irhoud, Morocco and the pan-African origin of Homo sapiens Nature 546, 289–292 (08 June 2017) doi:10.1038/nature22336
  • Richter D et al. 2017 The age of the hominin fossils from Jebel Irhoud, Morocco, and the origins of the Middle Stone Age Nature 546, 293–296 (08 June 2017) doi:10.1038/nature22335